TWI482999B - 立體顯示裝置 - Google Patents

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TWI482999B
TWI482999B TW102127368A TW102127368A TWI482999B TW I482999 B TWI482999 B TW I482999B TW 102127368 A TW102127368 A TW 102127368A TW 102127368 A TW102127368 A TW 102127368A TW I482999 B TWI482999 B TW I482999B
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Shinichiro Oka
Shinichi Komura
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Description

立體顯示裝置
本發明係關於一種不使用特殊眼鏡，便可顯示立體影像之裸眼式立體顯示裝置。
顯示3維影像之立體顯示裝置為了使左右眼睛見到各自的影像，而使用眼鏡時，與不使用眼鏡而以裸眼直接感受到的立體感有很大的分別。不使用眼鏡之裸眼式立體顯示裝置中，係具備將各自光線入射至左右眼睛之構造，被提出有使用狹縫光柵(parallax barrier)者或柱面鏡(lenticular lens)者等。
使用液晶透鏡之3維液晶顯示裝置(3D-LCD)中，視點要被固定乃成為課題，藉由固定視點，便能固定所見到之立體像的位置。為了解決此課題，便提案有將液晶透鏡之位置加以移動。
專利文獻1中，揭示有一種3維顯示裝置(請求項1)，係具備有將複數不同的視差像同時地加以顯示之顯示機構、裝設於該顯示機構並由柱面透鏡(cylindrical lens)之陣列所構成且可改變該柱面透鏡之光學特性的光學機構、檢出觀察者頭部之空間位置之檢出機構、以及連接於該檢出機構而基於該檢出機構所檢出之該頭部的位置資訊以將立體像再生於該頭部之最佳位置來控制該光學機構之控制機構。
【先前技術文獻】
專利文獻1：日本特開平7-72445號公報
專利文獻1中，係將複數電極配置於光學特性可變透鏡，藉由改變施加於電極陣列之電極樣式，來移動液晶透鏡之透鏡位置，以將可見到立體像之視點位置加以移動。但是，可見到立體像之視點位置雖可相對於顯示面板而左右移動，但前後位置乃直接固定，而無法移動於前後方向。
本發明目的乃在於提供一種能將視點位置相對顯示面板不僅左右，亦可移動於前後方向，來使得可觀看到立體像之範圍變廣之立體顯示裝置。
為解決上述課題，本發明之立體顯示裝置係在使用由將左眼用及右眼用之視差像同時地加以顯示之顯示元件、及組裝在該顯示元件而調整從該顯示元件所射出之光線方向之液晶透鏡所構成之立體顯示面板的立體顯示裝置中，對應於相對該立體顯示面板之觀察者前後方向之位置，來改變該液晶透鏡之間隔。
較佳地，本發明之立體顯示裝置中，係具備有檢出該觀察者位置之觀察者位置檢出機構、及驅動該液晶透鏡之液晶透鏡驅動機構；該液晶透鏡驅動機構係對應於該觀察者位置檢出機構所檢出之觀察者前後方向之位置，來改變施加在該液晶透鏡之複數電極的電壓樣式之間隔。
又，較佳地，本發明之立體顯示裝置中，該觀察者位置檢出機構係檢出觀察者之眼睛位置或臉部位置。
又，較佳地，本發明之立體顯示裝置中，該觀察者位置檢出機構係進一步地檢出觀察者之左右方向位置；該液晶透鏡驅動機構係對應於所檢出之觀察者之左右方向位置，來移動施加在該液晶透鏡之複數電極的電壓樣式。
又，較佳地，本發明之立體顯示裝置中，該液晶透鏡係具備有由透明電極所構成之平面狀第1電極、及由透明電極所成之複數梳齒狀第2電極，藉由該第1電極及該第2電極來夾置液晶層；在該複數梳齒狀第2電極內，改變施加電壓之電極的間隔，來改變液晶透鏡之間隔。
又，較佳地，本發明之立體顯示裝置中，係一樣地改變施加該電壓之電極的間隔，來改變液晶透鏡之間隔。
又，較佳地，本發明之立體顯示裝置中，係不連續性地改變施加該電壓之電極的間隔，來改變液晶透鏡之間隔。
又，較佳地，本發明之立體顯示裝置中，係在透鏡間隔之中一點點地移動小的彎折率分布。
又，較佳地，本發明之立體顯示裝置中，該液晶透鏡係於射出側具備偏光板，並在無電壓施加狀態中，90度旋轉液晶層之入射偏光軸及射出變更軸；電壓施加狀態中施加有高電壓之第2電極上，係藉由液晶層及偏光板來將光線遮蔽，而此外之第2電極上則讓光線穿過。
依本發明，便可藉由改變液晶透鏡之透鏡間隔，來使視點位置不僅左右，亦可移動於前後方向。然後，便可使得可觀看到立體像之範圍變廣。
10‧‧‧立體顯示面板
12‧‧‧接著構件
14‧‧‧觀察者眼睛
20‧‧‧顯示元件
30‧‧‧液晶透鏡
32‧‧‧第1基板
33‧‧‧第1電極
34‧‧‧配向膜
35‧‧‧液晶
36‧‧‧第2基板
37‧‧‧第2電極
38‧‧‧配向膜
40‧‧‧檢出用攝影機
50‧‧‧觀察者位置檢出機構
60‧‧‧液晶透鏡驅動器
70‧‧‧顯示面板驅動器
80‧‧‧偏光板
圖1係顯示本發明實施例1之立體顯示面板構造之剖視圖。
圖2係顯示本發明實施例1之立體顯示面板與觀察者眼睛之關係的圖式。
圖3係顯示本發明實施例1之液晶透鏡概略構造之剖視圖。
圖4係說明本發明實施例1之液晶透鏡動作之圖式。
圖5係顯示本發明實施例1之液晶透鏡與畫素之關係的圖式。
圖6係顯示相對於顯示面板之x方向面內位置之偏移量的圖式。
圖7係說明因改變液晶透鏡之特性而觀看距離移動之圖式。
圖8(a)(b)係顯示本發明實施例1之立體顯示裝置概略構成的圖式。
圖9(a)~(c)係顯示本發明實施例2之液晶透鏡構成的圖式。
圖10係說明本發明實施例2之液晶透鏡特性的圖式。
圖11(a)(b)係說明本發明實施例3之液晶透鏡彎折率分布的圖式。
圖12(a)(b)係說明本發明實施例3之液晶透鏡構成的圖式。
圖13係說明本發明實施例4之液晶透鏡動作的圖式。
圖14係說明本發明實施例4之液晶透鏡動作的圖式。
以下，便參照圖式來說明本發明實施形態。各圖式中，係對相同構成要素賦予相同符號，並省略重複之說明。
圖1係顯示本發明實施例1之立體顯示面板之概略剖視圖。立體顯示面板10係由顯示元件20及液晶透鏡30所構成，顯示元件20及液晶透鏡30係藉由接著構件12而加以連接。顯示元件20較佳為液晶顯示元件(LCD)， 可使用例如IPS(In-Plane Switching)方式之液晶顯示元件。顯示元件20亦可以為使用有機EL之顯示元件或其他顯示元件。但是，由於需將直線偏光入射至液晶透鏡30，故在液晶顯示元件以外的情況，只要在顯示元件20與液晶透鏡30之間設置偏光板或相位差板即可。
圖2係概略顯示裸眼式3D顯示器。裸眼式3D顯示器係藉由將具有視差之影像從立體顯示面板10入射至觀察者之左右眼14，來顯示立體像。如圖所示，以下說明中，係將立體顯示面板10與觀察者之眼14的距離為”L”，左右眼之間隔為”B”。又，將相對於立體顯示面板之左右方向的軸為”x軸”，將前後方向的軸為”z軸”。
圖3係顯示液晶透鏡30一範例之概略剖視圖。在透明材料所構成之第1基板32上係設有由平面狀透明電極所構成之第1電極33，其上係設有配向膜34。又，在透明材料所構成之第2基板36上係設有由梳齒狀透明電極所構成之第2電極37，其上係設有配向膜38。然後，第1基板32與第2基板36係夾置液晶35，以各自的配向膜34,38相互對向之方式加以配置。
此處，配向膜34,38例如為聚醯亞胺，會將液晶35配向於水平方向。然後，液晶係具有正的介電率異向性。(但是，亦可以為液晶是具有負的介電率異向性，而配向膜會將之配向於垂直方向)。如圖所示，第2電極37之間隔係表示透鏡之間隔，以”Q”表示。又，將第2電極37之電極寬度為”E”，液晶層厚度(配向膜34與配線膜38之間隔)為”d”。
圖4係顯示驅動圖3之液晶透鏡30時之液晶配向。圖4(a)係顯示將電壓施加在第1電極33與第2電極37之間時的電場方向。電力線會產生於從第2電極37朝向第1電極33之方向。圖4(b)係顯示未將電壓施加在第1電極33與第2電極37之間的情況之液晶初期配向。液晶分子係配向於水平方向。圖4(c)係顯示電壓施加後之液晶配向。液晶分子係配向於圖4(a)所示之電力線方向。圖4(c)中，第2電極上之液晶分子配向於垂直方向之部分的彎折率會變小，第2電極上之液晶分子配向於水平方向之部分相對偏光於x軸方向之光線的彎折率會變大。
圖式中，雖顯示沿面排列(homogeneous alignment)來作為液晶的初期配 向，但不限於此。由於只要能產生彎折率分布即可，故亦可為例如扭轉配向。又，圖4(b)中，配向方向雖亦係相對於電極長邊方向而垂直地配向，但不限於此。
接著，就液晶透鏡之設計方法加以說明。式1係顯示透鏡間隔與顯示元件之畫素的關係。
其中，”Q”為透鏡間隔，”P”為顯示元件之畫素間隔，”B”為人類眼睛與眼睛之間的距離，大概為65mm。於是，所謂畫素間隔係定義為顯示右眼(或左眼)用之影像的單位。例如，各畫素在交互地顯示右眼用影像的情況，畫素尺寸便會成為畫素間隔。又，各次畫素(R或G或B)在交互地顯示左右影像的情況，次畫素尺寸便會成為畫素間隔。
基於式1，可從畫素間隔來決定透鏡間隔。
接著，使用圖5至圖7，就使用液晶透鏡之視點移動方法來加以說明。使用液晶透鏡之視點移動方法例如記載於專利文獻1。
圖5係顯示液晶透鏡與顯示畫素的位置關係。圖5(a)係顯示顯示面板中央之畫素與液晶透鏡之彎折率分布的位置關係。圖式中，第1畫素與第2畫素係分別顯示左眼用及右眼用的影像。顯示面板中央中，係設計為液晶透鏡中央位置與第1畫素及第2畫素的邊界一致。但是，實際上，由於會產生顯示面板之偏移，故多少會有偏移產生。
圖5(b)係顯示顯示面板中之畫素與液晶透鏡的彎折率分布的位置關係。由式1可知，由於透鏡間隔Q會較畫素間隔之2倍要小，故隨著朝向顯示面板端部，則畫素與液晶透鏡之位置關係便會產生偏移。將該偏移量定義為a(x)。
圖6係顯示相對於顯示元件之x方向面內位置而以圖5所定義的偏移量a(x)。圖式中，虛線所示之位置係對應於顯示元件之中央位置。
特性曲線(1)係顯示由式1所計算之偏移量a(x)。此時，顯示元件中央中，係如圖5(a)所示，a(x)最好為0，a(x)為0的話，則顯示元件中心位置便會成為最佳觀看位置。特性曲線(1)之傾斜係由式1來加以決定。
只要為特性曲線(1)之狀態，則在顯示面板正面，且在以式2所決定之最佳觀看距離下，串擾(crosstalk)會最為降低。
其中，”L”為最佳觀看距離，”D”為從顯示裝置之液晶層至液晶透鏡之液晶層的距離。
將開始點移動於水平方向的情況，如特性曲線(2)，會保持傾斜而使得特性曲線(1)平行移動於x方向。藉此，便會對應於移動量使得最佳觀看位置移動於x方向。
本發明中，係使用液晶透鏡，將相對於顯示面板之x方向面內位置之偏移量a(x)的關係如特性曲線(3)般地加以設定。如特性曲線(3)所示，顯示元件中央的a(x)為0，僅將傾斜從特性曲線(1)改變的情況，最佳視點位置便僅會移動於前後方向之z方向。
又，雖未圖示，但將傾斜從特線曲線(1)改變，且平行移動於水平方向時，最佳視點位置會移動於x方向(水平方向)及z方向(前後方向)。
圖7係顯示設計對應於圖6所示特性曲線(1)~(3)之透鏡時之視點移動。影線(hatching)區域為被稱作視域之串擾較低而可立體觀看之空間區域。不為式1時，串擾會增加，但在液晶透鏡情況，只要串擾較低的區域較廣，為5%以下的話，由於在5°以上，故即便不為式1，對串擾的影響仍較小。
液晶透鏡之特性曲線(2)的情況，視域會移動於水平方向。
液晶透鏡之特性曲線(3)的情況，由於相較於特性曲線(1)傾斜較小，故偏移量a(x)會變小，使得透鏡間隔Q變大。因此，液晶透鏡的彎折率分布會較為緩和，視距離會從顯示面板移動於遠離z軸方向之方向，而移動後 之位置便會成為視域。
圖8(a)係顯示本實施例之立體顯示裝置之概略方塊構成圖。具備有檢出觀察者位置之檢出用攝影機40。檢出用攝影機40會檢出例如觀察者眼睛或臉部的位置。檢出用攝影機40可以和立體顯示面板10一體構成，或為其他構件。觀察者位置檢出機構50會基於檢出用攝影機所拍攝之影像，算出表示觀察者之左右位置及前後位置的訊號。液晶透鏡驅動器60會基於表示觀察者之左右位置及前後位置之訊號，將驅動訊號輸出至立體顯示面板10內之液晶透鏡。另外，立體顯示面板10之顯示元件係藉由顯示面板驅動器70加以驅動。另外，如圖8(b)所示，液晶透鏡驅動器60等一般係與立體顯示面板10一體構成。檢出觀察者位置之機構不限於攝影機，亦可使用將紅外線照射置觀察者而接收反射之紅外線者、將磁場產生器組裝在觀察者而以磁場檢出器檢出所產生之磁場者等，適當之位置檢出機構。
搭載有本發明之立體顯示裝置的顯示機器(例如行動電話或電視)等係預先設置檢出臉部位置或眼睛位置之檢出機構，基於所獲得之位置資訊，藉由調整圖6之特性曲線位置與傾斜，便可在臉部的任意位置獲得串擾較少的立體影像。於是，特性曲線的傾斜便能藉由將液晶透鏡之間隔一樣地加以改變來進行調整。
【實施例2】
使用圖9及圖10來說明本發明實施例2之立體顯示裝置。
圖9係顯示本實施例之液晶透鏡的剖視圖。第1電極係由平面狀透明電極所構成，第2電極係由梳齒狀透明電極所構成。然後，圖中虛線至虛線係表示透鏡之1間隔。
如圖9(a)所示，以既定間隔對第2電極(on)施加最高電壓，其他則對第2電極施加較其低的最佳電壓或0V，便可獲得圖式所示之良好彎折率分布。此處，所謂彎折率分布係在某位置將液晶彎折率平均化於Z方向者。彎折率分布已知在各透鏡間隔之一半成為2次曲線時，透鏡效果會最好。依圖9(a)，可知透鏡1間隔係配置有1週期之透鏡。
另一方面，為了以實施圖6之特性曲線(2)的方式來將視點移動，係將 第2電極之施加有最高電極的位置改變至橫向。如圖9(b)所示，藉由將電壓施加至第2電極，彎折率分布會移動，而最佳觀看位置會對應於所移動之距離而在x方向(水平方向)移動。
圖9(c)係顯示本實施例之第2電極的電壓施加構成。雖圖9(a)及圖9(b)之透鏡間隔為一定，但圖9(c)中，B部的間隔係較A部要小，而透鏡間隔為不連續性。藉由改變第2電極之施加最高電極的位置，便可不連續性地改變透鏡間隔。
圖10係顯示相對於顯示面板之x方向面內位置之偏移量a(x)之本實施例的特性曲線。藉由使用圖9(c)之第2電極的電壓施加構成，便可製作出圖10之特性曲線(4)般的特性。藉此，便可達成不連續之液晶透鏡間隔，可接近視點於前後方向可移動的特性曲線(3)。
【實施例3】
使用圖11及圖12來說明本發明實施例3之立體顯示裝置。實施例3中，係在液晶透鏡之透鏡間隔中形成小的透鏡。在視點為中心位置的情況，可獲得小的透鏡效果之彎折率分布係表示如圖11(a)。藉此，便可以式2所決定之最佳觀看距離在面板中央附近進行立體觀看。
另一方面，如圖11(b)所示，藉由在透鏡間隔中將小的彎折率分布一點點地移動，便可不改變透鏡間隔來製作出圖6之特性曲線(3)狀態。其結果，便能將最佳觀看位置移動於z方向(前後方向)。又，雖未圖示，但只要將彎折率分布之中心位置在面板整體處偏移的話，便可移動於x方向。
圖12係顯示用以達成圖11之彎折率分布之電極構成。另外，為了接近目標之彎折率分布，第2電極之間隔係越細越好。如圖12(a)所示，藉由相同重複之樣式，在第2電極(on)施加最高電壓，在其他第2電極施加較其為低的最佳電壓或0V，便可獲得良好的彎折率分布。另外，圖12(a)中，第2電極(on)係以5根為1間隔，但不限於此。
圖12(b)係顯示將最佳觀看位置移動於z方向(前後方向)時之最高電壓施加位置。如圖12(b)所示，藉由改變施加最高電壓之第2電極的位置，便可將彎折率分布之中心位置加以偏移。
【實施例4】
使用圖13及圖14來說明本發明實施例4之立體顯示裝置。
圖13係顯示液晶透鏡之無電壓施加時的液晶配向方向的剖視圖。初期配向為90度之扭轉配向。入射至液晶透鏡之光線會直線偏光。然後，由於扭轉配向之旋光性，直線偏光會90度旋轉。本實施例之液晶透鏡係於射出側具有偏光板80，其穿透軸會相對於入射偏光而呈略90度。因此，在電壓未施加於液晶透鏡時，光線會穿透。
圖14係顯示將電壓施加至液晶透鏡之狀態。由於第2電極(on)施加了充分大的電壓，故第2電極上之液晶35會相對於基板而略垂直地配向，而解除了扭轉。因此，施加有電壓之場所便會失去旋光性，使得光線被遮擋。
另一方面，第2電極(on)間的中央附近如圖14所示般，液晶35會配向而獲得透鏡效果。此時，由於彎折率產生分布之區域中，扭轉未完全解除，故光線會穿透。藉由此般構成，便可獲得圖11所示般之彎折率分布。
實施例3中，第2電極(on)之位置處由於液晶係相對於基板而略垂直地配向，故彎折率會較低而產生一定的區域。該位置處由於無法獲得透鏡效果，故實施例3中的串擾會變大。
相對於此，實施例4中，在電壓施加於液晶透鏡的狀態中，由於無法獲得透鏡效果之區域會因偏光板80使得光線被遮擋，故入射光不會穿透。因此，便不會對串擾有不良影響。然後，藉由改變施加電壓之場所，便可獲得圖12所示之同樣效果。
本實施例中，便可提供一種串擾不會降低，而可將透鏡位置連續地變化之立體顯示裝置。
依本發明，便能將視點位置相對於顯示面板不僅左右，亦可移動於前後方向，來擴大可見到立體像之範圍，可適用於行動電話等之行動機器之顯示裝置、遊戲或電視等之顯示器。
10‧‧‧立體顯示面板
40‧‧‧檢出用攝影機
50‧‧‧觀察者位置檢出機構
60‧‧‧液晶透鏡驅動器
70‧‧‧顯示面板驅動器

Claims (8)

  1. 一種立體顯示裝置，係在使用由將左眼用及右眼用之視差像同時地加以顯示之顯示元件、及組裝在該顯示元件而調整從該顯示元件所射出之光線方向之液晶透鏡所構成之立體顯示面板的立體顯示裝置中，對應於相對該立體顯示面板之觀察者前後方向之位置，來改變該液晶透鏡之間隔，並具備有檢出該觀察者位置之觀察者位置檢出機構、及驅動該液晶透鏡之液晶透鏡驅動機構；該液晶透鏡驅動機構係對應於該觀察者位置檢出機構所檢出之觀察者前後方向之位置，來改變施加在該液晶透鏡之複數電極的電壓樣式之間隔。
  2. 如申請專利範圍第1項之立體顯示裝置，其中該觀察者位置檢出機構係檢出觀察者之眼睛位置或臉部位置。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之立體顯示裝置，其中該觀察者位置檢出機構係進一步地檢出觀察者之左右方向位置；該液晶透鏡驅動機構係對應於所檢出之觀察者之左右方向位置，來移動施加在該液晶透鏡之複數電極的電壓樣式。
  4. 如申請專利範圍第1項之立體顯示裝置，其中該液晶透鏡係具備有由透明電極所構成之平面狀第1電極、及由透明電極所成之複數梳齒狀第2電極，藉由該第1電極及該第2電極來夾置液晶層；在該複數梳齒狀第2電極內，改變施加電壓之電極的間隔，來改變液晶透鏡之間隔。
  5. 如申請專利範圍第4項之立體顯示裝置，其係一樣地改變施加該電壓之電極的間隔，來改變液晶透鏡之間隔。
  6. 如申請專利範圍第4項之立體顯示裝置，其係不連續性地改變施加該電壓之電極的間隔，來改變液晶透鏡之間隔。
  7. 如申請專利範圍第4項之立體顯示裝置，其係在透鏡間隔之中一點點地移動小的彎折率分布。
  8. 如申請專利範圍第4至7項中任一項之立體顯示裝置，其中該液晶透鏡係於射出側具備偏光板，並在無電壓施加狀態中，90度旋轉液晶層之入射偏光軸及射出變更軸；電壓施加狀態中施加有高電壓之第2電極上，係藉由液晶層及偏光板來將光線遮蔽，而此外之第2電極上則讓光線穿過。
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